CN103033364A - 用于借助于模拟器实时测试内燃机控制设备的方法 - Google Patents

用于借助于模拟器实时测试内燃机控制设备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于借助模拟器实时测试内燃机控制设备的方法，其中模拟器包括第一模拟器计算单元和第一模拟器I/O接口，控制设备包括控制设备计算单元和控制设备I/O接口且控制设备和模拟器通过其I/O接口借助第一数据通道相互连接并且控制设备通过第一数据通道传送内燃机控制数据至模拟器，模拟器借助内燃机控制数据及内燃机整体模型在模拟器的第一模拟器计算单元上以第一采样步长计算内燃机状态参数且以第一传输步长传输至少一部分内燃机状态参数至控制设备。模拟器利用内燃机局部模型以不同于第一采样步长的第二采样步长计算至少一个特定的内燃机状态参数，这样所选出的内燃机状态参数可以以另一个尤其是比通过第一采样步长所能实现的更高的频率被提供。

Description

用于借助于模拟器实时测试内燃机控制设备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助于模拟器实时测试内燃机控制设备的方法以及一种模拟器，其中模拟器包括第一模拟器计算单元（3）和第一模拟器I/O接口，其中控制设备包括控制设备计算单元和控制设备I/O接口并且其中控制设备和模拟器通过它们的I/O接口借助于第一数据通道相互连接并且控制设备通过第一数据通道传送内燃机控制数据至模拟器，模拟器借助于内燃机控制数据并借助于内燃机整体模型在模拟器的第一模拟器计算单元上以第一采样步长实时计算内燃机状态参数并且传送至少一部分内燃机状态参数至控制设备。
背景技术
该类用于执行控制设备实时测试的方法在实际运用中也称为硬件在环测试。该类用于执行这种方法的模拟器被称为硬件在环或HiL模拟器。硬件在环测试指的是，待测试的硬件（此处为控制设备）不在其真实环境中（此处为与待控制的内燃机关联）被测试，而相反是在一个至少部分在模拟器中模拟的环境中。为此模拟器和控制设备通过分别对应的I/O接口相连，这样模拟器接收从控制设备发出的电信号，让其汇入内燃机整体模型的计算中并且在输出时再将数据实时计算，其例如通过模拟器和控制设备之间的数据通道以信号形式发送至控制设备。在这里数据通道指的是用于传送数据或者信号的合适的连接，例如为总线连接，其也可以具有其他的子通道。实时在这里指的是，内燃机状态参数的计算快到控制设备实际不能辨认是由真实内燃机驱动还是仅仅处在模拟环境中。此外为了功能的可行，第一模拟器I/O接口在硬件和信号上必须被调整，使得对于控制设备而言如同真实内燃机的I/O接口。
该类测试方法的优点为：可以完全无危险的、有很好的可能性去观察控制设备并且有可能测试极端运行情况，在运行中检验控制设备并以此确定控制设备是否按照期望地控制和检查内燃机。因为内燃机状态参数不间断地从模拟器传送至控制设备并且内燃机控制数据通过数据通道从控制设备传送至模拟器，所以“在控制回路中”（也称为“in-the-Loop”）测试控制设备。
不言自明，该类控制设备实时测试的性能由作为基础的数学模型的性能决定，即依赖于内燃机整体模型和该内燃机整体模型尽可能准确的计算。通常内燃机的热力学模型具有大量的微分方程组，其必须实时数值地求解以得到需要的内燃机状态参数。如果这里说模拟器具有内燃机整体模型，那么指的仅仅是通过该内燃机整体模型可以计算所有的、为了以合适的方式激励与模拟器相连并待测试的控制设备所需要的内燃机状态参数，并通过数据通道给其提供所有需要的内燃机状态参数。特别当控制设备需要气缸内部压力作为输入时，必须有模仿气缸内热力学过程的内燃机整体模型可用。通常内燃机整体模型的复杂度对必须在每个采样步骤计算所需内燃机状态参数的模拟器计算单元提出了很高的要求。
可能出现的问题例如为控制设备要求提供与模拟器计算单元的第一采样步长不对应的频率的内燃机状态参数，其特别是大于由模拟器计算单元的第一采样步长定义的频率。另一个问题可能在内燃机状态参数要以完全不同于模拟器的第一固定采样步长的、特别是变动的时间栅格来传送时产生。该类内燃机状态参数的一个具体的例子为气缸燃烧室内的气缸压力，其中内燃机的每个气缸的气缸内部压力被展示给控制设备。该类HiL系统的例子在报道“HiL-Simulation in der Praxis:Hochdynamische Regelung des Zylinderdruckverlaufs（实际运用中的HiL模拟：气缸压力进程的高度动态控制）”（http://pressemitteilung.ws/node/140505）中有涉及。
先进的控制设备要求气缸压力不按固定的时间栅格给出，而是例如以固定的曲柄角度的栅格——即曲柄轴的旋转角度，例如每一度的曲柄角度，并且是在内燃机的整个转速范围——给出。当转速为6000转每分钟时，意味着为了在曲柄角度每变换一度时都可以为控制设备提供气缸压力的计算值，内燃机整体模型的计算只允许持续约30μs。这根据内燃机整体模型的复杂度是不能实现的，因此实时条件不能被保证。
发明内容
本发明的任务是给出一种用于实时测试内燃机控制设备的方法，其可以特别是以比通过第一模拟器计算单元的第一采样步长实现的频率更高的频率提供所选的内燃机状态参数。提供用于执行该方法的模拟器也是任务内容。
前面导出的任务在开头所述的用于借助模拟器实时测试内燃机控制设备的方法中如此解决，即，模拟器利用内燃机局部模型以不同于第一采样步长的第二采样步长计算内燃机状态参数中的至少一个特定的内燃机状态参数。特定的内燃机状态参数指的是应该在与通过第一模拟器计算单元的第一采样步长所规定的不同的时刻提供的内燃机整体模型的至少一个内燃机状态参数，特别是以更高的频率或在变化的时刻进行。
为了计算该特定的内燃机状态参数要采用内燃机局部模型，该内燃机局部模型额外存在于内燃机整体模型之外，但使得与提供该特定内燃机状态参数的时间要求相一致的特定内燃机状态参数的计算成为可能。这意味着，内燃机整体模型一如既往以第一采样步长提供所有内燃机状态参数，也包括所选的特定内燃机状态参数。内燃机局部模型优选抓取由内燃机整体模型在上一个采样步骤计算并给出的内燃机状态参数值并且将其用作不相关的特定内燃机状态参数计算的起始值。由至少一个这种利用相对复杂的内燃机整体模型计算出的起始值出发，内燃机局部模型选择性允许一个另外的、特别是与第一采样步长和内燃机整体模型计算无关地更快地计算选出的特定内燃机状态参数。
通常情况下内燃机局部模型不只是内燃机整体模型的一部分。该概念所表达的是内燃机的一个数学模型，其在本质上用于计算特定内燃机状态参数并且因此只考虑在内燃机整体模型中所考虑的方面的一部分。内燃机局部模型可以是不同于内燃机整体模型的另一种类型的物理技术模型。当内燃机整体模型通常基于微分方程组时，内燃机局部模型例如可以是基于对已知的过去的计算数据和内燃机状态参数的外插法。
特别是当特定的内燃机状态参数要非常频繁地由内燃机局部模型计算并且在可能的情况下还传送至控制设备时，即第二采样步长小于第一采样步长，第一数据通道的使用上可能会出现问题，因为通过第一数据通道频繁地传送特定内燃机状态参数至控制设备会导致第一传输通道在时间上不再能保证和第一采样步长相关的内燃机状态参数的传送。在根据本发明的方法的优选构造中为了解决这个问题设定，特定的计算出的内燃机状态参数通过不同于第一数据通道的第二数据通道传送至控制设备。该数据通道是否使用现有的第一模拟器I/O接口或者已有的控制设备I/O接口或者这些是否通过其他接口实现并不重要，重要的仅仅是第一数据通道和第二数据通道不相关联。在根据本发明的方法的一个有利的构造中设定，第二数据通道通过与第一模拟器I/O接口不相关的第二模拟器I/O接口实现。
当第二采样步长小于第一采样步长，特别是当第一采样步长为第二采样步长的整数倍时，根据本发明的方法在其他构造中的使用就特别有意义。这里可以涉及时间上固定的采样步长，但采样步长也可以是和时间以外的参照值相关联，例如模拟的内燃机曲柄轴角度，即曲柄角度。热力学内燃机整体模型可以例如每变化10度曲柄角度被计算一次，相对地，用于计算特定内燃机状态参数的内燃机局部模型每变化1度曲柄角度就被计算一次。
通过第一数据通道将所需的计算出的内燃机状态参数传送至控制设备并不被强制但可以与第一采样步长相关联。特定内燃机状态参数计算所用的第二采样步长也不强制与特定内燃机状态参数传送至控制设备所用的传输步长相关联。对于有第一和第二数据通道的情况，在另一个优选的构造中设定，特定内燃机状态参数通过第二数据通道传送至控制设备的传输步长小于内燃机状态参数通过第一传输通道传送至控制设备的传输步长。第一采样步长对应第一传输步长和/或第二采样步长对应第二传输步长时该方法可以简单的实现，这样相对应的I/O程序的处理就可以和计算程序联系在一起了。
在本发明的一个特别有优势的构造中设定，用于计算特定内燃机状态参数的内燃机局部模型在一个不同于第一模拟器计算单元的第二模拟器计算单元上被计算，其中第二模拟器计算单元可以为独立的处理器或微控制器，但其也可以为多核处理器的一核。重要的是内燃机局部模型的特定内燃机状态参数的计算不影响利用内燃机整体模型计算内燃机状态参数，计算具有相互之间不相关的计算能力。
根据本发明方法的另一个可能变体的特征在于，用于计算特定内燃机状态参数的内燃机局部模型仅仅在不同于用于计算所有内燃机状态参数的内燃机整体模型所在任务的任务中被实行，特别是两个任务都在第一模拟器计算单元上被实行。这里也需要注意的是，内燃机局部模型并不仅是内燃机整体模型分离出的一部分，而是额外存在于内燃机整体模型之外，但被构造使得内燃机局部模型计算内燃机状态参数远快于用内燃机整体模型能达到的计算时间。
之前完全一般性描述的根据本发明的方法可以例如被有利地用于一个具体的实施例中，此时内燃机整体模型包括内燃机气缸的燃烧室中的气缸压力作为内燃机状态参数以及内燃机局部模型也包括内燃机气缸内的气缸压力作为特定的内燃机状态参数。其中需要注意的是，在多气缸内燃机时内燃机整体模型以及内燃机局部模型计算内燃机所有气缸内的气缸压力。在特定的内燃机中可以利用对称性来减少计算量。如果后文中提到气缸的燃烧室中的气缸压力，其毋庸置疑意味着，其他可能气缸的燃烧室内的气缸压力也可以包括在其中。
气缸中气缸压力对于内燃机的控制而言是一个被定期传送至内燃机控制设备的重要内燃机状态参数，特别是关于一个预先确定的曲柄角度变化被传送至控制设备。相反为了控制内燃机，控制设备会根据内燃机状态参数传给每个气缸的喷射时间和点火角（对于外源点火的内燃机）。在本方法的优选改进中内燃机整体模型包括气缸燃烧室内的温度和/或气缸燃烧室内的温度的温度梯度和/或气缸燃烧室的体积和/或气缸燃烧室内的压力梯度作为其他的内燃机状态参数，并且内燃机局部模型包括气缸燃烧室内的温度和/或气缸燃烧室内的温度的温度梯度和/或气缸燃烧室的体积和/或气缸燃烧室内的压力梯度作为其他的特定的内燃机状态参数。通过这些参数可以以简单的方式计算特别是气缸燃烧室内的气缸压力，而不需要在此处求解复杂的微分方程组，尤其是气缸压力的计算在内燃机局部模型的框架下可行，其只占内燃机整体模型计算时间的一小部分。
在一个优选的实施例中，气缸燃烧室中的气缸压力利用内燃机局部模型根据当前的、也在内燃机局部模型中被计算的温度和体积值来计算。基于借助于内燃机整体模型上次计算出的气缸压力值p0、气缸燃烧室的体积V0和燃烧室内的温度T0对应其他时间点——在到达下一个第一采样步长前——的气缸压力pk例如可以简单地通过下式计算：
p k = p 0 · V 0 T 0 · T k V k - - - ( 1 )
其中pk为在k步的通过内燃机局部模型的第二采样步长计算出的气缸压力计算值，Tk和Vk为内燃机局部模型框架下计算出的气缸燃烧室内的温度和气缸燃烧室的体积。
气缸燃烧室内的温度Tk在内燃机局部模型的框架下可以有利地通过内插或者外插法确定，例如通过：
Tk=T0+Ts2·k·dT0    （2）
其中Ts2为计算内燃机局部模型所用的第二采样步长，dT0为内燃机整体模型在上一个计算时刻算出的燃烧室内温度的温度梯度值。
在本发明另一个优选的改进中气缸燃烧室的体积Vk在内燃机局部模型中根据曲柄角度
Figure BDA00002094380600062
确定。在一个实施形式中体积通过级数展开计算，公式为:
气缸燃烧室的体积关于曲柄角度周期性变化，例如为正弦函数，这样级数展开优选只是对从0度到180度的曲柄角度范围进行，其中还可以进一步划分出子范围，这样只需要级数展开中的少量级数用于计算。根据曲柄角度
Figure BDA00002094380600064
的值在例如角度范围被分拆为三个子范围时三个不同的级数展开Vk,1，Vk,2或Vk,3中的一个被采用。
在另一实施形式中根据曲柄角度
Figure BDA00002094380600065
将体积存储在表中供内燃机局部模型调用。
根据本发明的模拟器具有第一模拟器计算单元和第一模拟器I/O接口，用于执行对内燃机控制设备的实时测试，其中控制设备包括控制设备计算单元和控制设备I/O接口。模拟器可以通过模拟器I/O接口和控制设备I/O接口借助于第一数据通道和控制设备相连以便从控制设备传送内燃机控制数据至模拟器。在第一模拟器计算单元上有内燃机整体模型，该内燃机整体模型被设置为根据所传送的内燃机控制数据在第一模拟器计算单元上以第一采样步长计算内燃机状态参数。模拟器被设置为以第一传输步长——尤其是经由第一数据通道——传送至少一部分内燃机状态参数至控制设备。根据本发明在模拟器中有内燃机局部模型，用于以不同于第一采样步长Ts1的第二采样步长Ts2计算内燃机状态参数中的至少一个特定的内燃机状态参数，这样借助于模拟器可以执行上述的根据本发明的方法。
附图说明
有很多具体的可能性去构造和改进用于控制设备实时测试的根据本发明的方法和根据本发明的模拟器。对此可以一方面参见权利要求1的从属权利要求，另一方面参见附图中示出的根据本发明的方法和模拟器的实施例的描述。其中：
图1示意性地示出了由用于执行根据本发明的实时测试控制设备的方法的模拟器和控制设备组成的布置，以及
图2示出了另一种由用于内燃机的控制设备和用于解释根据本发明的方法的模拟器组成的布置。
具体实施方式
附图中分别示意性地示出了用于内燃机的控制设备1和模拟器2，控制设备1通过模拟器实行实时测试。模拟器2首先包括第一模拟器计算单元3和第一模拟器I/O接口4。控制设备1在这里也包括一个未详细示出的控制设备计算单元和控制设备I/O接口5。在I/O接口4和5之间构造有连接控制设备1和模拟器2的第一数据通道。
控制设备1通过第一数据通道6传送内燃机控制数据至模拟器2。模拟器1在其第一模拟器计算单元3上基于内燃机控制数据并且借助内燃机整体模型7以第一采样步长Ts1实时计算所需的内燃机状态参数，这样在每一个由第一采样步长限定的计算间隔结束时提供内燃机整体模型7的内燃机状态参数作为结果。图1中给出了气缸燃烧室中的温度T0、温度梯度dT0、气缸燃烧室的体积V0和气缸内的气缸压力p0作为内燃机状态参数。
借助模拟器2执行的方法设定，模拟器2利用内燃机局部模型8以不同于第一采样步长Ts1的第二采样步长Ts2计算至少一个特定的内燃机状态参数，在这种情况中为气缸燃烧室内的气缸压力p。因此内燃机局部模型8并不是内燃机整体模型7分离出的一部分，而是对于特定的内燃机状态参数的额外的计算可能方式，其在这种情况中允许以小于第一采样步长Ts1的第二采样步长Ts2提供特定的内燃机状态参数。由内燃机整体模型7在上一步计算出的状态参数被优选提供给内燃机局部模型8。内燃机局部模型8采用供给的内燃机状态参数用于和内燃机整体模型7不相关的特定内燃机状态参数的计算。
图1和图2中实施例的共同之处在于，特定算出的内燃机状态参数p通过不同于第一数据通道6的第二数据通道9被传送至控制设备1，其中第二数据通道9在根据图1的实施例中在使用第一模拟器I/O接口4和控制设备I/O接口5时形成。在根据图2的实施例中，第二数据通道9通过使用与第一模拟器I/O接口4无关的第二模拟器I/O接口10和控制设备I/O接口5实现。在控制设备1侧控制设备I/O接口5不可以随意改变，因为接线图和接口——批量生产的控制设备也一样——为预定的。
在两个实施例中，用于计算特定内燃机状态参数的内燃机局部模型8在不同于第一模拟器计算单元3的第二模拟器计算单元11上计算，这带来了在内燃机整体模型7的计算和内燃机局部模型8的计算之间最大程度的硬件的隔离。第一模拟器计算单元3和第二模拟器计算单元11都能访问在这种情况中作为双接口存储器——即作为双侧可访问的存储器——的存储器12。
图2的实施例中内燃机整体模型7和内燃机局部模型8的计算并不在时间固定的栅格（Raster）内进行，而是取决于曲柄角度
Figure BDA00002094380600081
这样第一采样步长Ts1和第二采样步长Ts2就和模拟的内燃机的转速相关。
内燃机整体模型7在每个第一采样步长结束时提供内燃机状态参数T0、dT0、V0和p0，其中所述内燃机状态参数被放在存储器12中。在那里内燃机状态参数被提供给内燃机局部模型11，其然后在中间步长中计算中间的气缸压力pk——在这种情况下采用公式（1，2，3）中给出的法则。
在根据图2的实施例中的情况下曲柄角度
Figure BDA00002094380600091
通过置于模拟器2中的角度计算单元12给出。
在所示出的方法中，针对曲柄回转半周的曲柄角度范围计算气缸燃烧室的体积，其中当曲柄角度大于180°时实际曲柄角度被体积等同的曲柄角度替代以便确定气缸燃烧室的体积，并且所述曲柄角度范围被划分为子范围，对于每个待模拟的内燃机类型，在模拟前为每个子范围确定气缸体积级数展开的展开系数。

Claims (15)

1.一种用于借助于模拟器（2）实时测试内燃机控制设备（1）的方法，其中模拟器（2）包括第一模拟器计算单元（3）和第一模拟器I/O接口（4），其中控制设备（1）包括控制设备计算单元和控制设备I/O接口（5）并且其中控制设备（1）和模拟器（2）通过控制设备（1）和模拟器（2）的I/O接口借助于第一数据通道（6）相互连接并且控制设备（1）通过第一数据通道（6）传送内燃机控制数据至模拟器（2），模拟器（1）借助于内燃机控制数据并借助于内燃机整体模型（7）在模拟器的第一模拟器计算单元（3）上以第一采样步长（Ts1）计算内燃机状态参数并且以第一传输步长传送至少一部分内燃机状态参数至控制设备（1），其特征在于，模拟器（2）利用内燃机局部模型（8）以不同于第一采样步长（Ts1）的第二采样步长（Ts2）计算内燃机状态参数中的至少一个特定的内燃机状态参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，特定的计算出的内燃机状态参数以第二传输步长通过不同于第一数据通道（6）的第二数据通道（9）传输至控制设备（1）。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，第二采样步长（Ts2）小于第一采样步长（Ts1），特别地，第一采样步长（Ts1）为第二采样步长（Ts2）的整数倍。
4.如权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，第二传输步长小于第一传输步长。
5.如权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，第二数据通道（9）经由与第一模拟器I/O接口（4）无关的第二模拟器I/O接口（10）延伸。
6.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在不同于第一模拟器计算单元（3）的第二模拟器计算单元（11）上计算用于计算特定的内燃机状态参数的内燃机局部模型（8）。
7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，与用于计算所有内燃机状态参数的内燃机整体模型（7）所处的任务不同，用于计算特定的内燃机状态参数的内燃机局部模型（8）在另一个任务中执行，特别地，两个任务都在第一模拟器计算单元（3）上执行。
8.如权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，由内燃机整体模型在上一个采样步骤中确定的内燃机状态参数的值提供给内燃机局部模型。
9.如权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，内燃机整体模型（7）包括作为内燃机状态参数的内燃机气缸燃烧室内的气缸压力p，内燃机局部模型（8）也包括内燃机气缸内的气缸压力p作为特定的内燃机状态参数。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，内燃机整体模型（7）包括气缸燃烧室内的温度和/或气缸燃烧室内的温度的温度梯度和/或气缸燃烧室的体积和/或气缸燃烧室内的压力梯度作为其他的内燃机状态参数，并且内燃机局部模型（8）包括气缸燃烧室内的温度和/或气缸燃烧室内的温度的温度梯度和/或气缸燃烧室的体积和/或气缸燃烧室内的压力梯度作为其他的特定的内燃机状态参数。
11.如权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在内燃机局部模型（8）中通过积分确定气缸燃烧室内的温度并且所述温度用于计算气缸压力。
12.如权利要求9至11之一所述的方法，其特征在于，在内燃机局部模型（8）中确定气缸燃烧室的体积，特别是借助于级数展开或者借助于图表查询，并且所述体积用于计算气缸压力。
13.如权利要求9至12之一所述的方法，其特征在于，在内燃机局部模型（8）中根据预先确定的曲柄角度
Figure FDA00002094380500021
确定气缸压力，特别是其中通过在模拟器（2）中设置的角度计算单元（12）预先确定所述曲柄角度
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，针对曲柄回转半周的尤其是0°到180°的曲柄角度范围计算气缸燃烧室的体积，其中当曲柄角度大于180°时，实际曲柄角度
Figure FDA00002094380500031
被体积等同的曲柄角度替代以便确定气缸燃烧室的体积，并且所述曲柄角度范围被划分为子范围，对于每个待模拟的内燃机类型，在模拟前为每个子范围确定气缸体积级数展开的展开系数。
15.一种用于执行对内燃机控制设备（1）的实时测试的模拟器（2），所述模拟器具有第一模拟器计算单元（3）和第一模拟器I/O接口（4），其中控制设备（1）包括控制设备计算单元和控制设备I/O接口（5）并且其中所述模拟器（2）能够通过模拟器I/O接口（4）和控制设备I/O接口（5）借助于第一数据通道（6）和控制设备（1）相连以便从控制设备（1）传送内燃机控制数据至模拟器（2），并且其中在第一模拟器计算单元（3）上有内燃机整体模型（7），所述内燃机整体模型被设置为根据所传送的内燃机控制数据在第一模拟器计算单元（3）上以第一采样步长（Ts1）计算内燃机状态参数，并且其中模拟器（2）被设置为以第一传输步长传送至少一部分内燃机状态参数至控制设备（1），其特征在于，在模拟器（2）中有内燃机局部模型（8），用于以不同于第一采样步长（Ts1）的第二采样步长（Ts2）计算内燃机状态参数中的至少一个特定的内燃机状态参数，这样借助于模拟器（2）可执行如权利要求1至14之一所述的方法。
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